礦山回風(fēng)井風(fēng)量的間接測(cè)定裝置設(shè)計(jì)研究

伍海亮 黃壽元

(1.南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司，江蘇 南京 210041；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000)

風(fēng)量測(cè)量方法主要有機(jī)械式、電子式傳感器及靜壓差法測(cè)定[1-2]，其檢測(cè)儀表及測(cè)定技術(shù)得到不斷改進(jìn)。如彭云[3]提出一種可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)自動(dòng)測(cè)量的礦井風(fēng)量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案，采用超聲波探頭、超聲波時(shí)差法測(cè)量井巷風(fēng)速，激光脈沖法測(cè)量巷道斷面積，但是該電子式風(fēng)量檢測(cè)儀在礦井環(huán)境中實(shí)用性、準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證；劉禹[4]設(shè)計(jì)了多聲道超聲時(shí)差法的煤礦主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但風(fēng)量監(jiān)測(cè)儀表仍是電子式傳感器，受礦井回風(fēng)井回風(fēng)粉塵、潮濕水霧影響。礦井回風(fēng)井風(fēng)量監(jiān)測(cè)采用機(jī)械式的靜壓差法比較實(shí)用可靠，將感壓部分與電子式儀表分開(kāi)，防止回風(fēng)井水霧對(duì)電子式儀表的影響。如徐州博聯(lián)科技有限公司的“雙均靜壓環(huán)風(fēng)量檢測(cè)儀”采用2個(gè)靜壓環(huán)，測(cè)定2點(diǎn)靜壓差，由可編程控制系統(tǒng)接收靜壓差信號(hào)并加以運(yùn)算便可計(jì)算出風(fēng)量，但是該方案僅適用于地表有風(fēng)機(jī)情況，且只能測(cè)定靜壓參數(shù)。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)回風(fēng)量測(cè)定是通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定的基本內(nèi)容[5]，礦井回風(fēng)井風(fēng)量測(cè)定傳統(tǒng)的方法是采用電子式或機(jī)械式風(fēng)速儀表在井下、井口或井下井口同時(shí)測(cè)定。對(duì)于建立了通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的礦山則在回風(fēng)井筒內(nèi)(井口無(wú)風(fēng)機(jī))或地表(井口有風(fēng)機(jī))出風(fēng)段布置傳統(tǒng)風(fēng)速傳感器監(jiān)測(cè)風(fēng)量[6-7]。人工測(cè)定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且井口人工測(cè)定風(fēng)量存在跌落風(fēng)井安全風(fēng)險(xiǎn)及受礦井污風(fēng)危害測(cè)定人員職業(yè)健康，采用井口自動(dòng)監(jiān)測(cè)風(fēng)量卻存在含水霧礦井回風(fēng)影響電子式風(fēng)量監(jiān)測(cè)儀表測(cè)定精度、使用壽命等一系列問(wèn)題。本研究基于礦井風(fēng)量檢測(cè)的基本原理，并結(jié)合回風(fēng)井風(fēng)量檢測(cè)的特殊性，設(shè)計(jì)了一套間接測(cè)定回風(fēng)井風(fēng)量的裝置，通過(guò)直接測(cè)定該通風(fēng)斷面的靜壓及全壓(包括靜壓及動(dòng)壓)，設(shè)置簡(jiǎn)單實(shí)用的U型管測(cè)壓組件與壓力傳感器互為冗余，感壓部分與數(shù)據(jù)處理器獨(dú)立，并既滿足通風(fēng)技術(shù)人員通風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)日常巡檢要求，又能滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理，同時(shí)提高了通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性及經(jīng)濟(jì)性。

1 風(fēng)量檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

1.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

間接測(cè)定礦井回風(fēng)井風(fēng)量裝置的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 間接測(cè)定礦井回風(fēng)井風(fēng)量裝置的結(jié)構(gòu)1—外環(huán)；2—中間環(huán)；2′—內(nèi)環(huán)；3—感靜壓孔；4—感全壓孔； 5—感全壓短立管；6—固定桿；7—聯(lián)通管；8—導(dǎo)靜壓接口； 9—導(dǎo)全壓接口；10—靜壓導(dǎo)壓軟管；10′—全壓導(dǎo)壓軟管； 11—靜壓三通；11′—全壓三通；12—靜壓U型管； 12＇—全壓U型管；13—靜壓壓力傳感器； 13＇—全壓壓力傳感器；14—通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由圖1可以看出，間接測(cè)定礦井回風(fēng)井風(fēng)量的裝置是由感壓與導(dǎo)壓組件、測(cè)壓組件、通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接組合構(gòu)成。

感壓與導(dǎo)壓組件包括位于同一平面并與井筒內(nèi)風(fēng)流方向垂直的外環(huán)、中間環(huán)、內(nèi)環(huán)，外環(huán)、中間環(huán)、內(nèi)環(huán)水平安裝于距離井口1～2 m的回風(fēng)井筒內(nèi)，避免因太靠近井口其風(fēng)流風(fēng)壓不穩(wěn)定影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，同時(shí)減小靜壓導(dǎo)壓軟管、全壓導(dǎo)壓軟管壓力傳遞至測(cè)壓裝置因高差帶來(lái)的靜壓變化。外環(huán)為靜壓環(huán)，外環(huán)與井筒壁面可采用支架固定并布置在距離回風(fēng)井井筒壁面200 mm左右，外環(huán)的內(nèi)側(cè)側(cè)面設(shè)有4個(gè)感靜壓孔感應(yīng)靜壓，感靜壓孔按90°均勻交叉分布，根據(jù)井筒內(nèi)風(fēng)速?gòu)谋诿嬷辆仓行闹饾u增大的特點(diǎn)，通風(fēng)工程中以井筒通風(fēng)斷面上的平均風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量。

中間環(huán)、內(nèi)環(huán)為2個(gè)全壓環(huán)，全壓環(huán)的內(nèi)環(huán)布置在距離回風(fēng)井井筒中心距離300 mm以上，以300～400 mm為宜。中間環(huán)將內(nèi)環(huán)與外環(huán)所圍面積等分，在中間環(huán)、內(nèi)環(huán)的底部分別開(kāi)設(shè)有4個(gè)感全壓孔，分別按90°均勻并交叉布置，8個(gè)感全壓孔再各自連接感全壓短立管感應(yīng)全壓即動(dòng)壓與靜壓，以得到平均風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量。

中間環(huán)與內(nèi)環(huán)之間通過(guò)聯(lián)通管導(dǎo)通連接并固定，中間環(huán)再通過(guò)固定桿與外環(huán)連接固定而不聯(lián)通；在外環(huán)上設(shè)置導(dǎo)靜壓接口，在中間環(huán)上設(shè)置導(dǎo)全壓接口。

測(cè)壓組件由帶刻度的靜壓U型管、全壓U型管、靜壓壓力傳感器、全壓壓力傳感器、靜壓三通、全壓三通構(gòu)成；靜壓三通的進(jìn)口通過(guò)靜壓導(dǎo)壓軟管與導(dǎo)靜壓接口聯(lián)通，靜壓三通的2個(gè)出口分別與靜壓U型管的一端、靜壓壓力傳感器的一個(gè)接口聯(lián)通；全壓三通的進(jìn)口通過(guò)全壓導(dǎo)壓軟管與導(dǎo)全壓接口聯(lián)通，全壓三通的2個(gè)出口分別與全壓U型管的一端、全壓壓力傳感器的一個(gè)接口聯(lián)通；靜壓壓力傳感器、全壓壓力傳感器再分別與通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接。全壓U型管的另一端、靜壓U型管的另一端及全壓壓力傳感器的另一個(gè)接口、靜壓壓力傳感器的另一個(gè)接口均與大氣相通。

靜壓導(dǎo)壓軟管、全壓導(dǎo)壓軟管均采用耐腐蝕的膠皮軟管。外環(huán)、中間環(huán)、內(nèi)環(huán)、 感全壓短立管等部件材質(zhì)采用細(xì)銅管或者鋼管材料。

為了保證全壓中動(dòng)壓感應(yīng)的準(zhǔn)確性，必須保證該裝置的感全壓短立管與風(fēng)流方向垂直，外環(huán)、中間環(huán)、內(nèi)環(huán)均保持水平安裝，以提高測(cè)定精度，減少測(cè)定誤差。

對(duì)于回風(fēng)井為方形井筒，其整套裝置類似，將感壓、導(dǎo)壓組件中的外環(huán)、中間環(huán)及內(nèi)環(huán)改為方形截面，四邊中點(diǎn)布設(shè)感壓孔，測(cè)壓組件不變。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

礦井回風(fēng)井風(fēng)量測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)：①外環(huán)、中間環(huán)、內(nèi)環(huán)內(nèi)徑相同，均為20～40 mm；②感靜壓孔與感全壓孔內(nèi)徑相同，均為5～10 mm；③感全壓短立管內(nèi)徑與感全壓孔的孔徑相同，感全壓短立管的長(zhǎng)度20～40 mm；④導(dǎo)靜壓接口、導(dǎo)全壓接口內(nèi)徑均為6～10 mm，靜壓導(dǎo)壓軟管、全壓導(dǎo)壓軟管的內(nèi)徑相同，均為4～8 mm。

2 風(fēng)量檢測(cè)方法

通風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)直接讀取靜壓U型管、全壓U型管內(nèi)的水柱差，即全壓U型管內(nèi)兩側(cè)的水柱高度差H1，靜壓U型管內(nèi)兩側(cè)的水柱高度差H2。而對(duì)于風(fēng)井的斷面尺寸S是固定不變的。結(jié)合流體力學(xué)中風(fēng)流全壓和靜壓、動(dòng)壓三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以推導(dǎo)出簡(jiǎn)單實(shí)用的風(fēng)量計(jì)算公式。推導(dǎo)過(guò)程如下：

同理，對(duì)于壓力傳感器的壓力信號(hào)可遠(yuǎn)傳至通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用上述風(fēng)量計(jì)算關(guān)系式，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)量，其數(shù)據(jù)可以與目前礦山的“六大系統(tǒng)”對(duì)接，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理。

3 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)研究的礦井回風(fēng)井風(fēng)量測(cè)定裝置通過(guò)在井筒斷面內(nèi)均勻環(huán)形布置感壓點(diǎn)，全壓及靜壓數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便、實(shí)用性強(qiáng)，風(fēng)量計(jì)算公式簡(jiǎn)單易懂，適合于礦山通風(fēng)技術(shù)人員理解掌握。

(2)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置帶刻度U型管及壓力傳感器，并將壓力信號(hào)遠(yuǎn)傳至通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)可與目前礦山的“六大系統(tǒng)”對(duì)接，既能滿足通風(fēng)技術(shù)人員通風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)日常巡檢要求，又能滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理。

(3)相對(duì)設(shè)置風(fēng)速傳感器的通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)省去了風(fēng)速傳感器的設(shè)置，增設(shè)簡(jiǎn)單實(shí)用的U型管測(cè)壓組件與壓力傳感器互為冗余，感壓部分與數(shù)據(jù)處理器獨(dú)立，進(jìn)一步提高通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性。

(4)結(jié)合我礦通風(fēng)系統(tǒng)情況以及即將開(kāi)展的回風(fēng)井除霧工程項(xiàng)目，擬定采用該設(shè)計(jì)裝置，進(jìn)行回風(fēng)井風(fēng)量檢測(cè)，與年度通風(fēng)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較對(duì)照，為除霧系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)提供處理風(fēng)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1] 于 棟，張新民.礦用主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試方法的研究[J].煤炭工程，2007(5):84-86．

Yu Dong,Zhang Xinming.Research on ventilation quantity m easuring m ethod of m ine m ain ventilator[J].Coal Engineering，2007(5):84-86．

[2] 彭明輝．煤礦現(xiàn)場(chǎng)主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試方法及優(yōu)缺點(diǎn)分析[J].煤礦現(xiàn)代化，2014(4):106-108．

Peng Minghui.The advantages and disadvantages analysis of coal mine main fan flow rate testing methods[J].Coal Mine Modernization，2014(4):106-108．

[3] 彭 云，趙伏軍.一種礦井風(fēng)量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].工況自動(dòng)化，2012(1)：76-78.

Peng Yun,Zhao Fujun.Design of a mine used airflow detector[J].Industry and Mine Automation，2012(1)：76-78.

[4] 劉 禹.基于多聲道超聲時(shí)差法的煤礦主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].煤礦安全，2016(5):126-129.

Liu Yu.Air volume monitoring system of coal mine main ventilator based on multi channel ultrasonictime-difference method[J].Safety in Coal Mines，2016(5):126-129.

[5] 孫魁明，黃壽元，居偉偉.冬瓜山銅礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定與分析[J].煤礦安全，2014(5):114-116.

Sun Kuiming，Huang Shouyuan，Ju Weiwei.Determination and analysis of ventilation system in the old area of Dongguashan copper mine[J].Safety in Coal Mine，2014,(5):114-116.

[6] 賈安民.井下多級(jí)機(jī)站通風(fēng)監(jiān)控與節(jié)能技術(shù)研究[J].金屬礦山，2012(6):113-119.

Jia Anming Remote monitoring and energy saving research of multistage fan station ventilation[J].Metal Mine，2012(6):113-119.

[7] 賈安民，黃壽元.井下通風(fēng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在蒼山鐵礦的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012(7):75-78.

Jia Anming Huang Shouyuan.Application of remote ventilation remote monitoring technology in cangshan iron mine[J].Modern Mining，2012(7):75-78.